1、水泵的变频调速风机的变频调速中央空调的变频调速起升机构的变频调速电梯设备的变频调速,第十讲 通用变频器的应用,水泵的变频调速,水泵供水的基本模型,水泵的变频调速,水泵供水的主要参数流量(Q)：指单位时间内流过管道内某一截面的水量。扬程(H)：单位质量的水被水泵上扬时所获得的能量，称为扬程。常用单位是m。全扬程(HT)：全扬程也称为总扬程或水泵的扬程。它是说明水泵的泵水能力的物理量，包括把水从水池的水面上扬到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量。实际扬程(HB)：实际扬程即通过水泵实际提高的水位所需的能量。损失扬程(HL)：损失扬程为全扬程与实际扬程之差。管阻(R)：管
2、阻是表示管道系统（包括水管、阀门等）对水流阻力的物理量。压力(p)：压力是表明供水系统中某个位置（某一点）水压的物理量。,水泵的变频调速,供水系统的节能原理在供水系统中，最根本的控制对象是流量。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种：阀门控制法：通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变（通常为额定转速）。转速控制法：通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度）。,水泵的变频调速,转速控制法的优点供水功率：在所需流量小于额定流量的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小，这是变频调速供水系统具有节能效果的原因。水泵
3、的工作效率： 与阀门控制方式相比，转速控制方式下水泵工作于高效率区，这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个原因。,水泵的变频调速,恒压供水系统的构成变频器有两个控制信号：目标信号和反馈信号。目标信号XT：即给定端VRF上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。目标信号也可以由键盘直接给定，而不必通过外接电路来给定。反馈信号XF：是压力变送器SP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。,水泵的变频调速,系统的工作过程变频器一般都具有PID调节功能，其内部框图如图中的虚线框所示。,水泵的变频调速,变频器的功能预置最高频率：水泵属于二次方律负载，当转速超过其额
4、定转速时，转矩将按平方规律增加。上限频率：一般来说，上限频率可以设为额定频率，但有时也可预置得略低一些。下限频率： 在供水系统中，转速过低，会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程），形成水泵“空转”的现象。所以在多数情况下，下限频率应定为3035Hz。起动频率：应适当预置起动频率，起动瞬间转矩足够大。升速与降速时间：升速时间和降速时间可以适当地预置得长一些。降速时间只需和升速时间相等即可。暂停（睡眠与苏醒）功能：在生活供水系统中，夜间的用水量常常是很少的，即使水泵在下限频率下运行，供水压力仍可能超过目标值，这时可使主水泵暂停运行。,风机的变频调速,风机的机械特性离心式和轴流式风机：二次方律风
5、机的机械特性具有二次方律负载的特点，如图所示，n表示风机转速，P表示风压，Q表示风量，T表示风机转矩，当风量从Q1增加到Q2时，转矩从TL1增加到TL2，转速从nL1增加到nL2，从其特性可知为二次方律负载。,风机的变频调速,风机的机械特性恒转矩风机：主要是罗茨风机，其基本结构如图所示。罗茨风机的机械特性具有恒转矩的特点，其内部结构和特性曲线如图所示。,风机的变频调速,风机的主要参数和特性风压(PF)：管路中单位面积上风的压力称为风压。风量(QF)：即空气的流量，指单位时间内排出气体的总量。风压特性：在转速不变的情况下，风压PF和风量QF之间的关系曲线称为风压特性曲线，风压特性与水泵的扬程特性
6、相当，但在风量很小时，风压也较小。风阻特性：在风门开度不变的情况下，风量与风压关系的曲线称为风阻特性，风阻特性与供水系统的管阻特性相当，形状也类似。通风系统的工作点：风压特性与风阻特性的交点即为通风系统的工作点。,风机的变频调速,风量的调节方法调节风门的开度： 转速不变，故风压特性也不变，风阻特性则随风门开度的改变而改变。调节转速：风门开度不变，故风阻特性也不变，风压特性则随转速的改变而改变。在所需风量相同的情况下，调节转速的方法所消耗的功率要小得多，其节能效果是十分显著的。,风机的变频调速,风机变频调速系统要点控制方法：大多数采用开环控制方式。V/f曲线类型：选择平方转矩曲线，如图（a）中曲
7、线1或2所示；通过实验确定低频时的转矩补偿量，一般都不需要太大补偿量。,风机的变频调速,风机变频调速系统要点升速和降速时间：风机的转动惯量很大，但起动和停止的次数极少，故升速和降速时间可尽量加长，使起动或加速电流限制在额定电流以内；也可防止出现降速或停机中出现直流侧过压。升速和降速方式：半S方式，低速时转矩小可加快升降速速度。上限频率、下限频率：平方转矩关系，为防止风机出现过载，需要限定上限频率；转速太低时风量太小，风机效率低，需要限定下限频率。,中央空调的变频调速,中央空调的构成中央空调系统主要由冷冻主机与冷却水塔、外部热交换系统等部分组成。,中央空调的变频调速,冷冻主机与冷却水塔冷冻主机：
8、也叫制冷装置，是中央空调的“制冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。冷却水塔：在制冷过程中必然会释放热量，使机组发热。冷却水塔用于为冷冻主机提供“冷却水”。冷却水在盘旋流过冷冻主机后，将带走冷冻主机所产生的热量，使冷冻主机降温。,中央空调的变频调速,外部热交换系统冷却水循环系统：冷却泵、冷却水管道及冷却塔组成了冷却水循环系统。冷冻主机在进行热交换、使冷冻水温冷却的同时，释放出大量的热量，该热量被冷却水吸收，使冷却水温度升高。冷却泵将升温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水送回到冷冻机组。,中央空调的变频调速,外部热交换
9、系统冷冻水循环系统：由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻主机流出的冷冻水由冷冻泵加压送入冷冻水管道，通过各房间的盘管，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。同时，房间内的热量被冷冻水吸收，使冷冻水的温度升高。温度升高了的循环水经冷冻主机后又变成冷冻水，如此循环。也叫制冷装置，是中央空调的“制冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻主机进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。,中央空调的变频调速,外部热交换系统盘管风机：用于将冷空气吹入房间。冷却塔风机：用于降低冷却塔中的水温。中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转换过程。在这里，冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此，对冷冻水和冷却水
10、循环系统的控制便是中央空调控制系统的重要组成部分。,中央空调的变频调速,冷却水系统的变频调速基本情况：冷却水的进水温度也就是冷却水塔内水的温度，它取决于环境温度和冷却风机的工作情况；回水温度主要取决于冷冻主机的发热情况，但还与进水温度有关。温度控制：在进行温度控制时，需要注意为了保护冷冻主机，当回水的温度超过一定值后，整个空调系统必须进行保护性跳闸；在实行变频调速时，应预置一个下限工作频率。,中央空调的变频调速,冷却水系统的变频调速温差控制：最能反映冷冻主机的发热情况、体现冷却效果的是冷却回水温度t0与冷却进水温度tA之间的“温差”t。温差大，说明主机产生的热量多，应提高冷却泵的转速，加快冷却
11、水的循环；反之，温差小，说明主机产生的热量少，可以适当降低冷却泵的转速，减缓冷却水的循环。,中央空调的变频调速,冷却水系统的变频调速温差控制：最能反映冷冻主机的发热情况、体现冷却效果的是冷却回水温度t0与冷却进水温度tA之间的“温差”t。进水温度低时，应主要着眼于节能效果，温差的目标值可适当地高一点；而在进水温度高时，则必须保证冷却效果，温差的目标值应低一些。,中央空调的变频调速,冷却水系统的变频调速控制方案：利用变频器内置的PID调节功能，兼顾节能效果和冷却效果的控制方案，如图所示。反馈信号：是由温差控制器得到的与温差成正比的电流或电压信号。目标信号：是一个与进水温度TA有关的，并与目标温差
12、成正比的值。,中央空调的变频调速,冷冻水系统的变频调速在冷冻水系统的变频调速方案中，提出的变频控制依据主要有两个：压差控制：以出水压力和回水压力之间的压差作为控制依据。其基本考虑是：使最高楼层的冷冻水能够保持足够的压力，如图中虚线所示。,没有把环境温度变化的因素考虑进去。平均转速低于额定转速的情况下，其节能效果将逊色于供水系统。,中央空调的变频调速,冷冻水系统的变频调速在冷冻水系统的变频调速方案中，提出的变频控制依据主要有两个：温度或温差控制压差控制：根据回水温度进行控制。,没有把负荷情况考虑进来。不能保证高层的冷冻水供水压力。,中央空调的变频调速,冷冻水系统变频调速的控制方案压差为主、温度为
13、辅的控制：以压差信号为反馈信号，进行恒压差控制。而压差的目标值可以在一定范围内根据回水温度进行适当调整。当房间温度较低时，使压差的目标值适当下降一些，减小冷冻泵的平均转速，提高节能效果。温度（差）为主、压差为辅的控制：以温度（或温差）信号为反馈信号，进行恒温度（差）控制，而目标信号可以根据压差大小作适当调整。当压差偏高时，说明负荷较重，应适当提高目标信号，增加冷冻泵的平均转速，确保最高楼层具有足够的压力。,起升机构的变频调速,起升机构的转矩分析电动机的转矩TM：即由电动机产生的转矩，是主动转矩，其方向可正可负。重力转矩TG：由重物及吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊钩等的重量G与卷筒半
14、径r的乘积，即：TG=Gr，TG的方向永远向下。摩擦转矩T0：由于减速机构的传动比较大，因此，减速机构的摩擦转矩（包括其他损失转矩）不可小视。摩擦转矩的方向永远与运动方向相反。,起升机构的变频调速,起升过程中电动机的工作状态重物上升：重物的上升，电动机的旋转方向与转矩方向相同，处于电动机状态，其机械特性在第一象限，如图中的曲线，工作点为A点，转速为n1。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性切换至曲线，工作点由A点跳至A点，进入第二象限，电动机处于再生制动状态（发电机状态），其转矩变为反方向的制动转矩，使转速迅速下降，并重新进入第一象限，至B点时处于稳定运行状态，转速降为n2。,
15、起升机构的变频调速,起升过程中电动机的工作状态空钩（包括轻载）下降：电机的转矩和转速都是负的，机械特性曲线在第三象限，如图中的曲线，工作点为C点，转速为n3。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性切换至曲线，工作点由C点跳变至C 点，进入第四象限，电动机处于反向的再生制动状态（发电机状态），其转矩变为正方向，以阻止重物下降，所以也是制动转矩，使下降的速度减慢，并重新进入第三象限，至D点处于稳定状态，这时转速为n4。,起升机构的变频调速,起升过程中电动机的工作状态重载下降：重载时，重物因自身的重力而下降，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是反转（下降
16、）的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的，其机械特性如图的曲线所示，工作点为E点，转速为n5。这时，电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速，达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩将阻碍重物下降，故相同的重物在下降时负载转矩比上升时的小。,起升机构的变频调速,与绕线转子异步电动机拖动系统的比较重物上升：机械特性也在第一象限，如图中的曲线所示，转速为n1。降速是通过转子电路中串入电阻来实现的，这时机械特性为曲线，工作点由A点跳变至A点，电动机的转矩大为减小，拖动系统因带不动负载而减速，直至到达B点时电动机的转矩重新和负载转矩平衡，工作点转移至B点，转速降为n2。,起
17、升机构的变频调速,与绕线转子异步电动机拖动系统的比较轻载下降：其工作特点与重物上升时相同，只是转矩和转速都是负的，机械特性在第三象限，如图中的曲线和曲线所示。,起升机构的变频调速,与绕线转子异步电动机拖动系统的比较重载下降：重载下降时，电动机产生的转矩也是正的。但由于在转子电路中串入了大量电阻，使机械特性倾斜至如图中的曲线所示，这时电动机产生的正转矩比重力产生的转矩小，非但不能带动重物上升，反而由于重物的拖动，电动机的实际旋转方向是负的，其工作点在机械特性向第四象限的延伸线上，如图中的E点所示，这时转速为n5。这种工作状态的特点是：电动机的转矩是正的，但却被重物“倒拉”着反转了，电动机处于倒拉
18、式反接制动状态。,起升机构的变频调速,起升机构的变频改造方案电动机的选择：如果更换电动机，最好选用变频专用鼠笼异步电动机。如果是较新的绕线转子异步电动机，则应将转子绕组短接，并把电刷举起。变频器容量的选择变频器的容量应比电动机容量大1个等级。制动电阻的选择制动功率等于起重机构在装载最大重荷时以最高速度下降时电动机的功率，实际上就是电动机的额定功率。电动机在再生制动状态下发出的电能全部消耗在耗能电阻上，因此，耗能电阻的容量应与电动机容量相等。制动单元与电阻值的计算均需根据起升工况详细设计。,起升机构的变频调速,变频调速方案虽然变频器调速是无级的，完全可以用外接电位器来进行调速，但为了便于操作人员
19、迅速掌握，多数用户希望调速时的基本操作方法能够和原拖动系统的操作方法相同。因此，采用左、右各若干挡转速的控制方式，如图所示。,起升机构的变频调速,变频调速要点控制模式：一般地，为了保证在低速时能有足够大的转矩，最好采用带转速反馈的矢量控制方式。起动方式：为了满足吊钩从“床面”上升时，需先消除传动间隙，将钢丝绳拉紧的要求，应采用S型起动方式。制动方法：采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。点动制动：点动制动是用来调整被吊物体空间位置的，应能单独控制。点动频率不宜过高。,电梯设备的变频调速,电梯驱动机构原理动力来自电动机，一般选11kW或15kW的异步电动机。曳引机的作用有三个：一是调
20、速，二是驱动曳引钢丝绳，三是在电梯停车时实施制动。为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿箱，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重的大小而变化。计算公式如下： 配重的重量 =（载重量/2 + 轿箱自重）。,电梯设备的变频调速,电梯的控制方式下表列出了电梯控制方式的比较，绳索式电梯通常采用的速度控制方式有很多种，但为了改善性能，正不断改用变频器的控制方式。,电梯设备的变频调速,电梯的控制方式中、低速电梯所采用的速度控制方式主要是笼型电动机的晶闸管定子电压控制。这种方式很难实现转矩控制。且低速时由于使用在低效率区，能量损耗大。功率因数较低。高速、超高速电梯所采用的晶闸管直流供电方式由于使用了直流电
21、动机，增加了换向器、电刷的维护工作量。晶闸管相控整流在低速运行时功率因数较低。采用变频器可大幅度改善这些缺点。,电梯设备的变频调速,变频器用于电梯控制的原理框图采用PLC接受指令和实现保护。变频器接受PLC的转速指令进行运行。,电梯设备的变频调速,变频用于电梯控制的特殊要求配PG卡及与电动机同轴连接的旋转编码器：以供电动机测速及反馈，可根据AB脉冲的相序，可判断电动机转动的方向，并根据A、B脉冲的频率(或周期)测得电动机的转速。制动电阻：以便下放重物时制动。与机械抱闸系统连锁。电梯的运行曲线如右：,电梯设备的变频调速,变频用于电梯控制的接线图,电梯设备的变频调速,电梯的运行过程：电动机从起动、
22、匀速运行到减速停车的过程。正转(或反转)及高速信号有效时，电机从050Hz开始起动，起动时间在3s左右。维持50Hz的速度一直运行，完成起动及运行段的工作。换速信号到来后，PLC撤消高速信号，同时输出爬行信号；爬行的输出频率为6Hz(也可用4Hz)，减速过程在3s内完成，当达到6Hz后，就以此速度爬行。平层信号到来后，PLC撤掉正转(或反转)信号及爬行信号，此时电动机从6Hz减速到0Hz；减至0Hz之后，零速输出点断开，通过PLC抱闸及自动开门。异常输出点任何时刻断开，立刻机械抱闸。,本讲小结,本讲介绍了水泵、风机、中央空调、起升机构、电梯设备的变频调速方案结合不同的负载特性，理解变频调速实现节能的原因变频改造的原理图、接线图变频改造后的控制原理改造前后的性能比较,
